《CATENA》：Shrub dendrochronology reveals the last 150 years of spatiotemporal patterns of desertification in the Tengger Desert
编辑推荐：
荒漠化动态与驱动机制研究：基于腾格里沙漠灌木年轮与遥感数据融合分析，重建1850年至今荒漠化指数时空演变，揭示气候波动与人类活动交互作用，发现西北、西部及南部边缘荒漠化减弱，东部稳定，主导周期2-10年，降水和人为干扰为关键驱动因素。
作者：任宇 | 肖胜春 | 彭晓梅 | 丁爱军 | 田全燕 | 王家康
中国科学院西北生态环境资源研究院干旱地区生态安全与可持续发展重点实验室，中国兰州 730000
摘要
荒漠化是全球最紧迫的生态和环境挑战之一，其特点是长期且复杂的动态变化。为了揭示其历史演变和根本驱动因素，长期记录至关重要。然而，基于卫星的监测仅覆盖了过去四十年，而来自历史文献、考古学或沉积物的重建往往缺乏空间代表性和时间精度。以腾格里沙漠为案例研究，我们开发了一个综合框架，将灌木年轮宽度指数（RWI）与多源遥感指数和荒漠化指数（DI）相结合。利用这种方法，我们重建了自1850年以来沙漠边缘地区的荒漠化过程，并研究了其驱动因素和周期性。结果表明，在过去的150年里，荒漠化总体上有所减弱：北部（NTD）、西部（WTD）和南部（STD）的荒漠化趋势呈下降趋势，而东部边缘（ETD）则相对稳定。在年际尺度上，重建的DI显示出强烈的波动，在四个边缘区域分别于1972年和1978年达到高峰和低谷；在十年尺度上，它显示出一致的阶段，分别在1917-1920年、1926-1930年和1978-1989年。DI的主要周期范围为2至10年。NTD和WTD主要受降水和干旱的影响，而人类活动对STD的影响日益显著，并主导了ETD。大规模气候遥相关现象调节了荒漠化的变化，但其影响缺乏一致性和持久性。我们的发现为重建干旱沙漠的长期生态变化提供了一个新的框架，并为荒漠化控制提供了科学指导。
引言
荒漠化是由气候变化和人类活动驱动的干旱、半干旱和干亚湿润地区的土地退化（联合国防治荒漠化公约，1994年）。它对全球气候和可持续发展产生了深远影响（Abuzaid和Abdelatif，2022年；Burrell等人，2020年；Ma等人，2021年；Vieira等人，2021年）。联合国环境规划署（UNEP）估计，全球超过四分之一的陆地表面受到荒漠化的威胁，影响超过25%的世界人口，并造成每年6.3-10.6万亿美元的经济损失（Elnashar等人，2022年；Pravalie等人，2024年；Zhang等人，2022a）。为了应对这一挑战，联合国防治荒漠化公约（UNCCD）将土地退化中性（LDN）定为2030年可持续发展目标（SDGs）中的一个关键目标（UNCCD，2012年）。中国启动了多项重大荒漠化防治计划，包括三北防护林工程和京津沙源治理项目（Li等人，2012年；Wang等人，2020年；Zhai等人，2023年）。长期监测和荒漠化历史重建对于追踪其轨迹、区分气候变率和人类活动的相对作用以及制定预防策略和政策设计至关重要。
目前关于荒漠化时空动态的研究主要集中在易受荒漠化影响的地区（Glantz和Orlovsky，1983年；Wang等人，2021年），遥感是主要的监测工具。基于遥感的研究通常整合了多种类型的变量，包括光谱指数（如归一化植被指数NDVI（Piao等人，2005年；Sternberg等人，2011年）、净初级生产力（NPP）（Li等人，2016年；Zhou等人，2013年）和土壤调整植被指数（SAVI）（Kumar等人，2022年）；气候因素（如降水量（Ren等人，2024年；Zhang等人，2020年）、气温（Shi等人，2016年）和蒸散量（Ren等人，2023年；Zhang等人，2020年）；生物物理和地表环境属性（如反照率（Jackson和Idso，1975年；Liu等人，2017年；Wen等人，2020年）和风蚀指数（Fadl等人，2021年）；以及土地利用/土地覆盖（LULC）（Ferrara等人，2020年；Vieira等人，2021年）和社会经济指标（Ferrara等人，2020年；Ren等人，2024年）。其中，植被覆盖和LULC变化是最常用的指标，通常与降水量和温度等气候变量结合使用，以增强对荒漠化动态的解释（Rivera-Marin等人，2022年）。在方法上，分类和变化检测在荒漠化评估中占主导地位（Rivera-Marin等人，2022年）。高分辨率遥感产品的日益普及进一步推进了空间模式和动态演变的表征（Dubovyk，2017年）。将遥感与地面观测、气象记录和社会经济数据相结合，也提高了定量归因的准确性（Rivera-Marin等人，2022年）。然而，尽管遥感有效捕捉了近几十年来干旱地区的植被和土地利用变化，但其时间窗口较窄——通常仅限于过去40年。这限制了其揭示荒漠化长期历史轨迹的能力。荒漠化本质上是一个漫长而复杂的过程（Reynolds等人，2011年）。仅凭短期观测无法完全捕捉其演变特征和驱动机制。因此，重建荒漠化的长期历史至关重要。
常用的荒漠化重建方法包括分析和解释历史及考古记录、风成沉积物的年代测定以及湖泊沉积物档案。历史和考古证据通过编纂古代文献、绘制遗址分布图以及将实地调查与遥感和GIS数据相结合来提供特定地区的重建（Xie等人，2009年；Zhang和Deng，2020年）。风成沉积物的年代通常通过光释光（OSL）测定来确定，通过将沉积序列与气候变率联系起来来划分荒漠化阶段（Li等人，2018年；Li等人，2019年；Peng等人，2022年）。使用AMS14C测年的湖泊沉积物通过花粉、颗粒大小和地球化学特征等物理、化学和生物指标提供了补充见解，这些指标记录了植被演替和荒漠化历史（Palazzesi等人，2014年）。这些方法共同生成了跨越几个世纪到几千年的重建结果，突显了气候变化和人类活动的长期影响。尽管如此，在空间代表性和时间分辨率方面仍存在限制，这限制了连续和精确的荒漠化演变记录的生成。树木年轮具有年度分辨率、精确的年代测定和不间断的覆盖范围（Frank等人，2010年；Shao等人，2007年；Zhang，2015年），为环境变化提供了敏感的代理指标，并在完善荒漠化过程重建方面具有巨大潜力。
在这些方法的基础上，现有的结合树木年轮和遥感的研究主要集中在评估树木年轮指标与植被指数（如NDVI和增强植被指数EVI）之间的相关性，或从这些关系中重建植被指数时间序列（Li等人，2024年；Qin等人，2022年；Singh等人，2024年；Wei等人，2025年；Zhang等人，2023年）。这是因为树木或灌木是区域植被的重要组成部分，并受到区域气候和环境条件的共同影响。卫星衍生的植被指数捕捉了包括树木和灌木在内的植被变化，而树木年轮指数主要记录了由树木生长驱动的长期变化。因此，当树木生长和区域植被都受到相同气候因素的调节时，预计树木年轮指数和卫星衍生的植被指数之间存在强烈的统计关系（Zhang等人，2023年）。这些研究主要针对中高纬度山区森林中的针叶树种（Zhang等人，2023年），从而服务于森林生态系统。然而，在干旱沙漠地区，稀疏的树木覆盖和严重的水分限制影响了树木的寿命和生长，使得“树木年轮-植被指数-荒漠化”综合框架尚未得到充分探索。相比之下，灌木在极端干旱条件下仍能持续生长，其径向增量对栖息地变化非常敏感。在缺乏树木的环境中，灌木提供了不可替代的优势（Myers-Smith等人，2015年；Xiao等人，2020年）。将灌木年轮的年度精度与遥感数据的空间连续性相结合，为建立连接树木年轮、植被指数和荒漠化的耦合框架提供了有希望的途径。这种方法可以生成干旱景观中荒漠化过程的长期、连续和高保真的重建。
在此背景下，我们以腾格里沙漠为案例研究，利用灌木年轮和多源遥感数据来重建荒漠化动态及其驱动因素。腾格里沙漠具有典型的干旱和半干旱生态系统，荒漠化严重程度在空间上存在显著异质性，其边缘地区对气候变率和人类活动都非常敏感。该地区灌木丰富，特别是Zygophyllum xanthoxylon，为树木年轮分析提供了可靠的生物材料（Ding等人，2018年；Ding等人，2021年；Peng等人，2024b；Xiao等人，2019年；Xiao等人，2012年）。选择腾格里沙漠作为研究区域不仅捕捉了干旱沙漠系统的代表性生态特征，还利用了灌木年轮在荒漠化重建中的独特优势。具体而言，本研究有三个主要目标：（1）确定灌木年轮宽度指数（RWI）与遥感植被指数之间的最佳响应关系，从而建立基于树木年轮的荒漠化重建方法；（2）重建过去一个世纪腾格里沙漠的荒漠化过程，揭示其空间模式、演变过程和周期性；（3）分析腾格里沙漠不同边缘区域的荒漠化驱动机制。通过这些努力，我们旨在为追踪干旱沙漠地区的历史生态变化提供新的方法和视角，同时为区域荒漠化控制和生态恢复提供科学依据。
研究区域
本研究区域位于中国阿拉善高原东南部的腾格里沙漠内。它西北部与巴丹吉林沙漠接壤，东部为贺兰山脉，南部为祁连山脉（图1(a)）。海拔范围从1000米到2000米，沙漠面积约为4.97×104平方公里（Dong等人，2024年）。该地区的景观以广阔的流动沙丘为主，植被主要局限于地下水较浅的低洼地区，灌木稀疏。
树木年轮年代序列和区域综合年代序列的统计特征
为六个采样点（YBL、YBLW、MQLF、PTD、TBTL和ALB）建立了标准年代序列，并提取了它们的关键统计特征（表1）。所有站点都表现出高可靠性，表达的种群信号（EPS）值超过0.92，表明年代序列强烈代表了单个树木的共同生长信号；信噪比（SNR）值介于11.69到29.74之间，反映了共享信号相对于噪声的强度较高；
灌木RWI对各种植被指数的差异响应
采样点的代表性是将灌木径向生长与区域植被动态联系起来的基本前提。当树木生长和周围植被受到相同气候因素的共同调节时，可以在一致的空间和时间框架内建立树木年轮宽度与植被指数之间的稳定数学关系（Zhang等人，2023年）。在本研究中，植被指数是在每个采样点为中心10公里的缓冲区内提取的
结论
本研究基于Z. xanthoxylon灌木的RWI和区域植被指数，重建了过去150年腾格里沙漠的DI序列。结果表明，荒漠化动态既具有空间一致性，又表现出明显的时空异质性。重建的DI序列显示荒漠化总体上有所减弱，NTD、WTD和STD的趋势呈下降趋势，而ETD保持相对稳定。尽管存在空间变异，所有区域
CRediT作者贡献声明
任宇：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。肖胜春：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，监督，方法论，调查，概念化。彭晓梅：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，监督，调查。丁爱军：撰写——审稿与编辑，调查，数据
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42171031和42171167）、内蒙古自治区科技重大项目（项目编号2024JBGS000905和2024JBGS000903）以及中央引导的地方科技发展计划（项目编号2024ZY0014）的支持。
